年間の電力節約量は 900,000 を超えます。印刷プロセスの冷却水システムのインテリジェントな変革の実践を共有します。
著者のグループの印刷工場の伝統的なプロセス水冷システムは、主にドイツの MANN COLORMAN ワイドフォーマット機の 2 つの生産ラインの電気キャビネットとメインモーターの冷却を担当しています。このラインは 20 年近く稼働していますが、いくつかの顕著な問題点があります。トレーン冷凍ホスト、ウォーターポンプ、その他の機器は固定電力で動作し、エネルギー空気消費量が深刻です。温度制御誤差が大きく、夏場は結露が発生しやすく、印刷品質や機器の寿命に影響を与え、ランニングや液だれの問題も多く発生します。オフィスや生産エリアの夏の冷房は独立したキャリアのホスト システムに依存しており、全体的なエネルギー消費量は依然として高いままです。
この目的を達成するために、実際の生産に基づいて、当社の工場は PLC{0}} ベースのプロセス水冷システムの変革に着手し、PID 制御アルゴリズムによる正確な温度制御とインテリジェントな省エネを実現し、「冬の印刷冷却省エネ + 夏のオフィス冷却」の機能を革新的に拡張しました。変革後のシステムの温度制御誤差は 0.5 度以下で、総合的な省エネ率は 30% にも達します。これは、企業のコスト削減と効率向上を強力にサポートするだけでなく、印刷企業のグリーン 省エネ技術のアップグレードに再現可能な実践経験も提供します。-
現状を分析し、冷却システム変革の核となるニーズを明確にする
印刷装置の高速動作の過程で、電気キャビネット内の周波数変換器などの電子制御装置は大量の熱エネルギーを生成します。これは装置の寿命に直接影響し、装置の故障やシャットダウンを引き起こすこともあります。これは、プロセス水冷却システムが解決すべき中心的な問題でもあります。
当社工場の独自のプロセス水冷システムは、「冷凍ホスト + 冷却塔 + 給水ポンプ」という伝統的な構成モードを採用しており、コア機器には、2 台の水冷トレーン ホスト、2 台のクロスフロー冷却塔、複数の循環ポンプ、および通常の電磁弁、制御弁、プレート熱交換器が含まれています。オフィスと生産エリアの冷却は、一連の独立した大型遠心キャリア式中央空調装置によって個別に提供されます。長年にわたる運用の結果、プロセス水冷却システムには 3 つの未解決の問題が明らかになりました。
(1) 温度制御精度が不十分である。セントラル空調による冷水の直接冷却に依存しているため、生産需要に応じて温度を柔軟に調整することができず、出口水の温度誤差が大きく、装置のプロセス水温度の要件を満たすことが困難です。
(2) エネルギー消費量は依然として高い。一方で、印刷冷却用の中央空調装置は一年中フル稼働しており、これをサポートするウォーターポンプとファンにはインテリジェントな速度調整機構がありません。一方、オフィスエリアの冷却は工場本来の独立したキャリア空調ホストに依存しており、後段の工場規模縮小により実際の冷房需要は大幅に減少しているものの、元々のホストの冷却能力が調整されておらず、多量のエネルギーの無駄が発生し、運営コストがさらに上昇している。
(3) 自動化の程度が低い。完璧なリアルタイム監視機能や故障警報機能が欠如しており、温度や圧力などの主要なパラメータを手動で検査して記録する必要があり、機器の故障対応が遅れているため、人件費が増加するだけでなく、時期尚早な廃棄による生産中断につながる可能性があります。-
実際の生産量と国の省エネ政策の要件を組み合わせることで、この変革により 5 つの主要なニーズが明確になります。{0}
(1) 正確な温度制御。冷却水温度の調整範囲は13～22度に設定されており、出口水の温度誤差は0.5度以下に厳密に制御されており、ドレン発生の問題を根本的に解決しています。
(2) エネルギーの節約と消費量の削減。インテリジェント制御により機器の動作モードを最適化し、セントラルエアコン、ウォーターポンプ、ファンのエネルギー消費を大幅に削減します。
(3) インテリジェントな監視。温度や圧力などの主要パラメータのリアルタイム表示機能を備え、自動故障検出機能や警報プロンプト機能も備えており、オペレータがシステムの動作状況を適時に把握するのに便利です。
(4) 安定性と信頼性。自動および手動のデュアルモード切り替えをサポートしています。これにより、システム障害時の手動操作による生産継続が確保され、機器の障害による生産ラインのダウンタイムが回避されます。
(5) 経済的適応。新しい大規模な設備を追加したり、元のシステムに基づいてアップグレードしたりする必要はなく、変革コストを最大限に制御し、プロジェクトが確実に経済的および社会的利益の WinWin 状況を達成できるようにします。-
正確な温度制御のためのハードウェアサポートシステムを構築するためのハードウェアアップグレード
この変革の中心的な考え方は、PLC をコアとして、PID 制御をアルゴリズム サポートとして、インテリジェントな認識を基礎として、ハードウェアの最適化とソフトウェアのアップグレードを通じて、「正確な温度制御 + 省エネ動作 + インテリジェントな監視」の新しい冷却システムを構築することに基づいています。その中心的な考え方は、ハードウェアのアップグレード、制御のアップグレード、アルゴリズムの最適化とモードの革新であり、ハードウェアの選択は、各コンポーネントの調整された効率的な動作を保証するための適応性と多様化の原則に準拠しています。
(1) コア制御ユニットは市場で主流のミッドレンジ PLC 製品を選択し、実際のニーズに応じて Siemens、Mitsubishi、Inovance やその他のブランドなどの複数のブランドを選択でき、対応するアナログ入力モジュール、出力モジュール、入出力統合モジュールを備え、システム信号の取得と制御のニーズを完全に満たします。この変革では、1214CDC/DC/DC モデル CPU を搭載した Siemens S7-1200 シリーズ PLC を制御コアとして使用し、複雑な制御ニーズを満たすために 8 つの外部拡張モジュールをサポートします。 SM1231 AI 8×13BIT アナログ入力モジュール、SM1232 AO 4×14BIT アナログ出力モジュール、SM1234 AI/AO 4×13BIT/2×14BIT アナログ入出力モジュールと組み合わせることで、それぞれセンサー信号の受信、制御信号の出力、および信号処理の柔軟性の向上を担当します。
(2) ヒューマン コンピュータ インタラクション インターフェースには、8 ～ 10- インチの主流タッチ スクリーンが採用されており、マルチデバイス通信とリアルタイム モニタリング機能をサポートしています。これにより、オペレータがシステムの動作状況やパラメータ調整を直感的に把握するのに便利です。- HMI HMI は、Siemens TP900 Comfort 9- インチ ディスプレイを使用しており、マルチ PLC 通信とリアルタイム モニタリング機能をサポートしており、オペレータがシステムの動作状況を直感的に把握し、パラメータを調整することが容易になります。
(3) 検出および実行機器の選択は安定性と精度を重視し、温度センサーは生産環境の温度範囲をカバーする範囲と安定した信号出力を持つ製品を選択し、圧力センサーはパイプラインの圧力条件に正確に適応し、プローブロッドの長さは工場エリアのパイプラインの実際のサイズに応じて合理的に設定されます（注：プローブロッドの長さはパイプラインの直径の半分です）。検出データの精度を確保します。
(4) バルブとアクチュエータには、応答速度が速く、制御精度が高い電動三方弁と、水流量を正確に調整し、温度制御効果を確保するために適合したアクチュエータが装備されています。{1}周波数変換器は、ウォーターポンプやファンに適したパワーの製品を選択し、正確な周波数調整をサポートします。これにより、機器のスムーズな起動と停止を保証するだけでなく、省エネ運転も実現できます。-今回のリニューアルでは、最大トルク1600NのシーメンスSVBシリーズアクチュエーターを採用。電動アクチュエータの選定は、バルブ本体、配管、配管圧力と組み合わせて、「アクチュエータトルク バルブの最大起動トルク以上×安全率（1.3～1.5）」を満たすように決定する必要があります。
(5) 冬季に水温が凍結してシステム循環に影響を与えることを防ぐために、冷却塔の元のコイルヒーターの連動制御を実装します。リレーコンポーネントは、電圧と電力のマッチングを備えたスイッチング電源、変圧器、リレーを使用して、回路システム全体の安定した動作を確実に保証します。
機器選定はできるだけ同一ブランドを選択する必要があり、異なるブランドのコンポーネントの組み合わせでは統一性や連携性が悪くエラーが発生しやすく、結果的にデバッグの難易度の上昇やメンテナンス回数の増加につながります。ハードウェア変革の主な施策は以下の 3 つです。
01/ 配管接続の最適化
(1) 冷却塔入口配管と出口配管をセントラル空調冷水管と並行して改修し（図1参照）、開閉制御用の電磁弁を設置し、冬期の外気温が低い場合には冷却塔冷却水をそのままセントラル空調冷水の代わりに利用することができ、空調ホストの運転時間を大幅に短縮し省エネを実現します。
図1 改修ロードマップ
（2）元の工場オフィスエリアの空調および冷却パイプを改修および最適化し、オフィスエリアと元のキャリアセントラルエアコンの間の接続パイプラインを遮断するバルブを追加して、元のセントラルエアコンが独立した動作を維持し、新聞生産ワークショップなどの元の適応シナリオのみに機能できるようにします。オフィスエリアの冷却パイプラインは、既存の工場の印刷冷却システムの中央空調冷水パイプラインに正確に接続されており、冷源を生成するために追加のエネルギーを消費することなく、印刷冷却システムの余剰冷却能力を直接利用してオフィスエリアを冷却することができるため、キャリアの遠心式中央空調装置の稼働時間を大幅に短縮し、設備のエネルギー消費を効果的に削減し、効率的なエネルギーリサイクルを実現し、大幅な省エネと消費量削減の目標を達成します。
02/外部手動回路追加
システムの故障やメンテナンスが発生した場合、オペレーターはバルブやポンプの動作を手動で制御して、生産に影響が及ばないようにし、システム動作の信頼性を向上させることができます。
03/ 知覚監視ネットワークを改善する
温度センサーと圧力センサーは、冷蔵入口、冷凍出口、冷却入口、冷却出口の 4 つの重要な位置に取り付けられており、冷却システムのプロセス全体のデータ収集を実現し、PLC の精密制御のための包括的かつ正確なデータ サポートを提供し、温度制御と省エネの目標を確実に実現します。{0}}
インテリジェントな制御コアプログラムを作成するためのソフトウェアの最適化
この変革では、ソフトウェア設計は、統合された機能と便利な操作を備えた主流の機器制御ソフトウェア開発プラットフォームを選択します。これは、さまざまなプログラミング言語をサポートする必要があり、プログラムの作成とデバッグのプロセスを簡素化し、プロジェクトサイクルを効果的に短縮し、システムの安定した動作のための技術サポートを提供します。設計ソフトウェアはハードウェア PLC およびタッチ スクリーンと互換性がある必要があることを考慮して、Siemens Botu V17 (TIA PORTAL V17) を使用するため、同じブランドの製品が優先されます。
インテリジェント制御プログラム設計の中核には、データ変換、デュアルモード制御、アラームの 3 つのモジュールが含まれています。-データ変換モジュールは、センサーによって収集された 4 ～ 20mA のアナログ信号を、NORM_X 標準化命令と SCALE_X スケーリング命令によって制御ユニットが認識できる温度と圧力の値に正確に変換します。シーメンスアナログの各チャンネルのデータ幅は16ビットで、固定動作範囲は入出力電圧±10Vに対応する-27648～27648に調整され、そのうち5533～27648は入出力電流4～20mAに対応し、標準化された演算により0.0～1.0の浮動小数点データが得られます。 「OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)」、次にスケール演算「OUT=[VALUE×(MAX–MIN)]+MIN」 実際の物理量との対応を確立し、データ変換の精度を確保します。
デュアルモード制御は、このソフトウェア設計の中核となるイノベーションであり、屋外温度に応じて動作モードを自動的に切り替えて、エネルギー利用を最大化できます（図 2）。日常モードでは、屋外温度が高い (12 度以上) 場合、システムはセントラル空調を開始し、PID 制御アルゴリズムを通じてバルブ開度と周波数変換器の周波数をリアルタイムで調整し、冷水の量とポンプの速度を正確に制御し、システムの圧力と温度を一定に維持します。さらに、PID制御アルゴリズムにより、設定温度、圧力差、実際の検出値を比較して調整パラメータを自動的に最適化し、バルブ開度とポンプ速度を常に最適な状態に保つことで、冷却効果を確保するだけでなく、エネルギーの無駄も回避します。
図 2 デュアル-モード制御インターフェース
冬モードでは、外気温が低い（12度以下）場合、システムは空調ユニットを自動的に停止し、冷却塔と中央空調パイプライン連絡弁を開き、冷却塔の水を直接冷却に使用します。このとき、ファンの回転数とヒーターのオン/オフをPID制御アルゴリズムで調整することで、水温の下がりすぎによる凍結を防ぎ、システム循環に影響を与えるとともに、エネルギー消費を最小限に抑えて冬季冷却システムの効率的な運転を実現します。
警報プログラムの設計は、システム動作の安全性と信頼性を十分に考慮しています。温度や圧力などの主要なパラメータのしきい値を設定することにより、検出されたデータが通常の範囲を超えたり、デバイスの障害が発生したりすると、システムはただちにアラーム信号をトリガーし、HMI インターフェイスに明確に表示すると同時に、PLC 入力モジュールにもフィードバックします。これにより、オペレーターは問題を迅速に特定し、迅速に対応することができます。 HMI ヒューマン マシン インターフェースは複数の機能画面 (図 3) で設計されており、ワンクリックでの切り替えをサポートし、システム動作モード、さまざまなパイプラインの温度と圧力、バルブ開度などの重要な情報をリアルタイムで表示できます。-また、温度設定やアラームの確認操作にも対応しており、オペレーターがシステムの稼働状況を包括的かつ直観的に把握できるため、操作の難しさや誤使用のリスクが大幅に軽減され、全体的な生産効率が向上します。
図 3 HMI インターフェース
エネルギー消費会計は、エネルギー節約と排出削減変革の有効性を浮き彫りにします
エネルギー使用量集計は印刷工場の生産実態に基づいており、プロセス水冷却システムは24時間365日稼働しており、冬期モード稼働期間は12月から翌年2月までの計90日間に集中しており、産業用電力の価格は 0.7 元/kWh で計算されます。
プロセス水冷却ホストは、この変革の中核となる省エネリンクです。{0}移行前の冷凍ホストの年間消費電力量は1,822,100kWhに達していましたが、移行後は冬季に冷凍ホストを90日間停止したため、年間消費電力量は1,479,300kWhに低下し、年間342,800kWhの電力を節約できました。
オフィス エリアの冷却変革に関しては、オフィス エリアの冷却がパイプライン ドッキングを通じて印刷プロセスの水冷システムに組み込まれ、元の Carrier セントラル空調システムはワークショップの早朝の生産時間帯にのみ稼働し、起動時間は元の 3 分の 1 に短縮されました。これにより、印刷プロセスの水冷システムの空調ホストの利用効率が大幅に向上し、Carrier セントラル空調システム（1 台の Carrier ホスト、1 台の Carrier ホスト、循環ポンプ 2 台、冷却塔ファン 1 台）を毎日使用します。オフィスエリアのエアコンは主に春と夏の4ヶ月間（延べ120日）使用し、改修後は年間85万7,000kWhの消費エネルギーを節約します。
改修前の18.5kW循環ポンプ3台の年間消費電力量の合計は486,200kWhでしたが、改修後は平均運転周波数が40Hzとなり、消費エネルギーが20％削減され、ポンプ3台の年間消費電力量の合計は388,900kWhとなり、年間97,200kWhの節電効果が得られました。
包括的な会計の結果、同社は年間129.7万kWhの電力と約90.79万元の電気代を節約したことが判明した。同時に、変換後のシステムの温度制御誤差は 0.5 度以下となり、凝縮水の問題が完全に解決され、印刷装置の故障率が大幅に減少します。プロセス全体が自動的に監視され、技術的有効性、経済的利益、管理上の利益を考慮して、障害対応時間は 5 分未満に短縮されます。